世界上的人们对医生、妓女、水手、杀人犯、伯爵夫人、古罗马人、阴谋家和波利尼西亚人的生活十分了解，却对转换后变成我们这些人的物质一无所知，我认为这是不公平的。
——普里莫·莱维
据介绍，《物质的秘密》是法国很著名的科普畅销书，对此我表示难以理解，因为这本书虽然短，但一点也不有趣。在我看来，这本书能给人的不在于猎奇，而是让我们试着理解微观和宏观，多一些视角。而最后，借这本书提出的一些开放问题，比如超对称性、反物质、暗物质、暗能量等等，讨论一个终极问题——宇宙为什么是这个样子。
原子，以及不确定性
原子最初的意思，是不可分割 。它最早出现在古希腊罗马时代的某些思想家的想法中。他们从物质不能被无限分裂的原则出发，认为必须承认在物质的内部应该存在着一个极限，一旦到达这个极限，我们无法继续分割物质。肯定存在一个“物质的最小块”：这一极端的、不可分割的实体，被他们称作“原子”，在希腊语中意为“不可分割”。
而中国古代哲学家不这样看，他们认为物质可以无限制地细分下去，比如，一根一尺长的棍子，给它中间截断了，扔一半儿，留一半儿，还剩半尺，接着截，是半尺的半尺，四分之一尺，继续日复一日地截，你就是截上一千年一万年，都还是可以继续截下去，它是无限的。
中国古代哲学家的这个观点，被称为“物质无限可分”，之前古希腊哲学家的观点，被称为“物质有限可分”。
谁对呢，要等到19世纪英国物理学家卢瑟福登场。他发现，如果想办法把一些粒子用很高的速度打出去，那么就有可能击中它前面的一些东西，从而产生一些奇怪的现象——大部分粒子都穿过了金箔，但是有少量被弹了回来。
于是，卢瑟福了解到物质之中潜藏着一些比原子小得多的坚硬的点。所以原子只能是这样一个结构：它由高密度的核和在核周围运动的电子组成。
在发现原子核后的几年间，人们越来越清楚地认识到，普通的物理定律不能用于描述原子的特性和运动。物理学家们尤其不理解原子是如何发出或吸收光的。这一认知迫使他们在纠结痛苦中麻醉自己，放弃既有经典物理学中最牢固的某些原则。
一个崭新的物理学形成了，它专门针对原子和原子的组成部分，那就是“量子物理学”。
在量子力学中，最不可思议的是，不确定性原理。
一个粒子，“既在这里，又在那里”！
比如 ，粒子“自旋”，你任意选定一个方向为正，反方向自旋是负。
现在假设这里有一个电子，在我观测它之前，你问我一个问题：这个电子的自旋是正的还是负的？
如果是普通物体，比如一个台球，答案就应该是它“要么正，要么负”。可是对电子来说，答案就必须是它“既是正的，又是负的”。
因为，一个没有被观测的电子，其实是两种自旋状态的“叠加”，这就是“量子叠加态”。
但是，只要你“观测”这个电子的自旋，你得到的结果就“或者是正的，或者是负的”。
而你到底会得到“正”还是“负”的哪个结果，这是一个真正的“不确定性”事件！
没有任何办法能事先预测你的观测结果。
物理学家可以用电子的波函数精确预测你获得每个结果的概率大小是多少，但是面对一次单独的观测，从理论上讲就没有任何办法可以预测结果。
因为量子力学这个性质，我们可以肯定地说是生活在一个不确定的世界。
放射性，核武器
1896年3月，法国物理学家利·贝克勒尔发现不含磷的铀盐能释放辐射，而以往以为射线与磷光有关。
如果说物质能够自发放射出射线，即能量，那么物质就并非一成不变。在铀元素里一定“一直发生着某种事情”，甚至是非常特别的事情，一种仅凭当时的物理学定律并不能了解的事情。于是，那个时代最伟大的头脑们都在琢磨：
铀“放射”的这些辐射是由什么东西组成的？
铀是从哪里获得的能量以保持如此持久的放射？
1898年，伟大的女性居里夫人分离出了镭，同时创造了“放射性”一词，这个词很快就在全球非常有名了—— 人们迅速赋予这些射线一些神奇的功能品质，认为它们拥有某种生命力量。一些报刊声称这些射线能够战胜癌症和结核，治愈阳痿和高血压，去除跖疣，防止脱发……
1913年，尼尔斯·玻尔发现：原子核而不是原子本身或电子才是放射性的根源。
（原子中的）外围电子在原子的外围运行，它们只参与化学反应。例如，这些电子能够与其他原子的电子相互作用并因此通过化学键将多个原子联系起来，成为一个分子。但电子与放射性完全没有关系。放射性对应的其实是某些原子核在一定时间后转变为其他原子核的过程，而伴随着这一转变的正是辐射或粒子的释放。我们称之为物质的“衰变”。
但是为什么某些原子核会自发发生衰变呢？因为它们是不稳定的。
为什么不稳定呢？因为这些原子核包含了过多的能量。然而一个系统总是倾向于摆脱它过剩的能量。
根据爱因斯坦的质能方程：能量与质量是等价的——E=mc2
放射性其实是原子核最终找到的一个用来排出它过剩核能的方式。在放射出粒子的同时，放射性原子核转变为别的原子核，以这样的方式新产生的物体的总质量比最初原子核的质量小。在这一活动中，有质量消失了。但它并未凭空消逝：它以能量的形态重获发现，即这一衰变产生的粒子所带的能量。
1930年代，物理学家们才明白了所有原子核都是由质子和中子组成，这些粒子也称为“核子”。
简单说事情是这样的：在一个原子核中，如果质子和中子的核力和电荷间的作用力（库仑力）相互抵消，那么这个原子核就是稳定的；在其他情况下，质子和中子数量不足以使吸引力和排斥力之间达到一种平衡，那么这个原子核就是带有放射性的：它最终会发生衰变，这两种力角逐达到严重失衡所耗费的时间，便是原子核在衰变之前所经历的时间。
人的身体本身也是有放射性的，因为它含有一些有放射性的元素，例如钾40和碳14。这些元素来自哪里呢？钾40是星系高温的残留物，星系高温在50亿年前产生了组成地球的物质。我们每个人体内都有一点钾40，主要是在骨头中。至于碳14，它是由宇宙射线在空气中诱发的核反应所产生的，这些宇宙射线促进氮向带放射性的碳衰变。一个重70千克的人的身体里，每秒发生着4000次 衰变。如果再加上因为钾40而引起的放射性，那么结果就是，每个体重正常的人身体里每秒钟总共会进行约10000次衰变。
1933年，居里夫人的女儿和女婿——伊雷娜·约里奥-居里和弗雷德里克·约里奥-居里发现了人工放射性。他们指出，原子核并不是不可破坏的，恰当地轰击原子核，就可以使它们衰变，即改变它们的质子和中子数量。
1938年，两位德国化学家，哈恩和斯特拉斯曼观察到含有92个质子的铀原子核转变为只含有56个质子的钡原子核，而自从发现了人工放射性，人们知道铀原子核如所有原子核一样，能够捕获或释放几个质子或中子，但是这总是少量的，像铀235原子核裂变成两半——从一个含有92个质子（和143个中子）的原子核，被1个中子撞击，变成一个含有56个质子的原子核（钡）和一个含有36个质子的原子核（氪）……这一切伴随着巨大能量的释放，准确地说是2亿电子伏特的能量！——意味着一个原子里发出了超过其他原子1亿倍的能量！
有了这个理论，人类就很容易生产出自我毁灭的武器了。
宇宙只有四种力
万有引力。正是它让我们能够坐下，让我们在跌倒时会疼痛。但是它也控制着很多其他的现象，从物体的掉落到行星的移动。万有引力同时也是原始气体得以形成恒星的根源，正是它使原始气体结合形成了恒星。也是它使得形成的恒星之间相互吸引，进而形成星系。
电磁力。它比万有引力强得多，对我们的影响随处可见，比如家用电器，从吸尘器到咖啡机，再到电冰箱和电熨斗。但在更基础的层面，它主要保证了原子和分子的内聚力，控制所有的化学反应及光学现象。和万有引力一样，电磁相互作用的影响也是趋向于无穷的，但是，因为它时而具有吸引力，时而具有排斥力（根据电荷正负性而变化），在远距离时它的叠加效果因为物质整体呈中性而被抵消了。
弱相互作用力。其作用距离很短，大约为10-18米，几乎是一种通过接触来实现的相互作用，它的特征是强度非常微弱、非常难以观察到。但这并不能阻止它扮演一个重要角色，特别是在太阳中，它决定着氢原子核的聚变反应。如果它从宇宙中消失，那么我们的恒星就会停止闪耀。
强相互作用力。是四种基本作用力中强度最大的，它的作用距离范围约为10-15米，它如某种强力胶将两个核子（质子或中子，对它来说无所谓）一个贴一个地粘上，但是只要将两个核子分开一点点，强相互作用就会迅速减弱。这并不影响它成为如此强大且令人难以置信的存在。例如它能够在几个10-15米的距离间，阻拦一个以每秒10万公里的速度投掷过来的质子。
一句话说清楚就是，质子和中子通过强核力形成原子核，弱核力保证原子核不会太大，电磁力保证原子核和电子能够形成原子，以及原子可以结合形成各种分子乃至万物，万有引力保证物质能够形成星球，等等。宇宙的演变其实就是在这很少的几条规则限制下不断优化的过程，最后孕育出生命。而物种的进化也是如此，其实是我们的DNA不断优化适应环境过程。
悬疑问题
1.暗物质
我们都知道，地球绕着太阳转，恒星绕着星系转，星系绕着星系团转。
我们也知道，旋转速度越快，需要“拉住”它们的引力也必须越大。
而观测到的真实情况就是，星系团外围的星系绕着星系团旋转的速度，和星系外围的恒星绕着星系旋转的速度，都远远超出了预期。
引力是由质量提供的，而星系内部的可见物质所提供的引力根本支持不了外围恒星那么大的旋转速度。所以唯一的解释就是星系内部还有一些别的物质 —— 比可见物质多得多的物质 —— 在提供这个引力。
物理学家排除了各种可能性：黑洞、流浪行星、星际气体……，我们不得不设想，星系团和星系内部必然存在着大量的“暗物质”。
而天文学家们陆续考察了很多星系团，结果每个星系团都有这个现象。物理学家计算，这个宇宙中暗物质的总质量应该是已知物质的6倍。至于是什么组成的，我们不知道。
更神奇的是，2018年3月29日，包括双子座北天文台、W·M·凯克天文台、哈勃太空望远镜和世界上其他几个天文台联合在《自然》杂志发表一篇论文，说有一个编号为 NGC1052-DF2 的星系，它的内部，没有暗物质！因为，天文学家测量了这个星系外围恒星的运动速度，发现它们正好就是星系内部那些可见物质的引力所能提供的速度，根本不需要暗物质。
这说明，暗物质用不存在证明了自己的存在。
另一个角度也可证明暗物质的存在。我们知道光会偏向高质量物体。在到达地球途中，某些遥远星系发出的光需要从某个星系团附近经过。那么这束光的路线就会发生弯曲，就好像它穿过了一个光学系统。这个星系对我们来说就不再是发光的一个点，而是发光的弧形，我们称这种变形现象为“引力透镜”。根据这些弧形的形状和大小，我们能够推测出造成这一变形的星系团的质量。而结果是清楚的：这样测量出来的星系团的质量是它可见质量（即它所含的可见星体质量）的10倍（与前面6倍的说法有一些冲突，属于测量问题，但能够证明其存在）。所以不可见质量的确存在，这就是产生引力但却不发光的暗物质。
2.暗能量
我们都知道宇宙在膨胀。但你想这是有点问题的，宇宙大爆炸以后，膨胀速度受到引力的影响，应该越来越慢才对，但事实就是宇宙在膨胀，还在加速膨胀，几十亿年来一直在加速。
这就只有一种解释，有一种反引力，在扮演这个宇宙膨胀加速器角色。这就是暗能量。
暗能量是真空中的能量。宇宙越膨胀，真空越大，暗能量就越大。现在物理学家知道，在50亿年以前，暗能量的比例达到一定数值，宇宙就已经开始加速膨胀了。
而随着空间越来越大，暗能量越来越多，宇宙膨胀的加速度也会越来越大。这就意味着远方的星系是以越来越快的速度离我们而去，不可能再回头。
物理学家计算，再过一万亿年，除了银河系以外，我们的天空中将会再也看不到其他的星星。
3.标准模型与超弦理论
科学家搞研究不仅仅是为了满足好奇心，也要建功立业。科学家的建功立业才不是为了拿什么奖金，科学家是要建立一个体系，一座科学大厦，能够解释所有问题。
所以有了标准模型——能够把前面说的这些所有东西 —— 除了引力之外 —— 都描写清楚，而且无比精确。标准模型预言应该有一个叫做“ 希格斯波色子 ”的东西，现在也被发现了，也就是所谓“ 上帝粒子 ”。
但是标准模型解释不了暗物质和暗能量，标准模型还有一个问题，它引力放到了一边，单独用广义相对论进行描述。
如今人们正在研究一条线索，即超弦理论——尝试超越量子物理学和广义相对论的范围，在这里粒子不再表现为没有维度的物体，而是细长的物体——超弦——在超过四个维度的时空中振动！更确切地说，超弦理论将我们所知的所有点状粒子替换为唯一一种可展开的物体：超弦，它在比普通时空多出六个维度的时空中振动。
世界看似平凡，实则惊心动魄
如果前面的你都理解了，其实不理解也不影响接下来的问题。这一段的思想，其实是我2016年底看万维钢先生讲过，至今，每一次想起，我都莫名惊恐。
这个宇宙其实很简单，宇宙中的主要物质是100多种原子，而原子又由质子、中子、电子组成，质子、中子都由两类粒子组成，这两类粒子没有内部结构，不可分割，那就是六种夸克和六种轻子。轻子就是对原子核内聚力的强相互作用力不敏感的粒子，有3种不带电且质量非常轻，另外3种是大质量且带电。夸克就是对原子核内聚力的强相互作用力不敏感的粒子，也有6种。
六种夸克、六种轻子和四种基本的力——引力、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用，就能构建宇宙，就这么简单。
但是，为什么呢？每一种夸克、轻子的质量，每一种力的大小，为什么是如今我们探测到的这个数值。如果不是这个数值，宇宙则不会存在。
简单举个例子，比如“下夸克”的质量，比上夸克稍微重一点，这导致一个单个中子的质量要比单个质子稍微大一点。因为质子是由两个上夸克和一个下夸克组成，中子是由两个下夸克和一个上夸克组成。质量越大就越不稳定，一个自由的中子只有15分钟寿命，过后就会衰变。而单个质子非常稳定，只有质子稳定，我们才能得到氢原子 —— 一个质子加一个电子。宇宙中90%的原子都是氢原子。氢元素是一个非常活泼的元素，很容易和其他元素产生化学反应，比如氢气和氧气反应后产生水。宇宙想要有生命，就必须要有大量的氢原子。
那么，为什么下夸克的质量是这个数值呢？只要下夸克的质量调高一点 —— 一切物理定律都还有效，但是质子可就不稳定了。那样的话，宇宙将会由氦原子主导，而氦原子非常不活泼，这个宇宙里甚至可能根本就不会有什么化学反应！当然就不会有生命存在。
再说引力。如果把引力调低，那么恒星的内部压力就不够，根本发不了光。没有光，还有生命吗？但是，谁规定引力正好是这么大呢？
再如，如果把强相互作用的强度改变0.5%，或者把电磁相互作用的强度改变0.4%，那么宇宙中就不会有碳元素和氧元素 —— 这两个元素，对生命可是太重要了。
为什么，为什么，为什么？这就好像有人专门把这些参数调好了，就是为了给我们一个能孕育生命的宇宙似的。可是为什么？
到底是谁把这些参数调好的？如果你说是神，那神从哪里来的？
还有一种说法是平行宇宙，在大约10的500次方个宇宙中，绝大多数都不适合生存，人类只不过恰好生活在其中一个“适合人类生存的”宇宙里。这个恰好，和把什么都推给神其实没啥区别。
更神奇的是，这些参数并非是允许生命存在的最佳状态。物理学家研究发现，这些参数如果进一步优化，能让生命更容易出现。你说，这有多惊心动魄。
也许，这个宇宙根本没有义务让你理解。
